北京地區中小學校室內空氣質量現狀及新風系統應用
中國建筑科學研究院 鄧高峰 廖桑 楊英霞 伍品 王寶艷 李薇
【摘 要】近年來北京室外污染嚴重，已影響了中小學正常的教學和生活。為改善教室室內空氣質量，本文選取北京地區中小學校為調研對象，對室內空氣污染現狀及是否需要采用新風系統進行了調研，并對新風系統安裝案例進行了效果測評、對該技術進行了可行性分析。研究結果可為北京地區中小學校新風系統的應用和發展方向提供了參考。
【關鍵詞】CO2 PM2.5 室內空氣質量 新風系統
Abstract：Air pollution in Beijing caused bad outdoor air quality in recent years, and hence affecting students’ study and life in primary and secondary schools. In order to improve air quality in classrooms, this paper selects primary and secondary schools in Beijing as the main research target, investigates the current indoor air quality in these target buildings, researches whether outdoor air purification system should be installed, and tests and analyzes cases studies and technological feasibility evaluations of the installed systems, therefore providing references for the application and development of outdoor air purification systems in schools in Beijing.
Keywords: CO2, PM2.5, Indoor air quality, Outdoor air purification system
1 引言
教室是高密度人群活動場所，教室內空氣質量受到室內和室外雙重污染源的影響。室內高密度人群活動產生的大量CO2、教學產生的粉筆灰及裝修產生的其他室內污染物嚴重影響學生和老師的學習和工作效率[1,2]。傳統的解決辦法是通過開窗通風換氣稀釋室內的污染物和CO2。然而，近年來北京地區的大氣污染問題日益嚴重，開窗通風會引入大量污染物，包括PM10、PM2.5、NO2、SO2、臭氧等。發布于2015年的《中國主要大氣污染物的時空分布特征研究》[3]收集了2014年3月-2015年2月中國190個城市的大氣常規污染物資料，結果顯示PM10和PM2.5的濃度明顯高于《環境空氣質量標準》GB3095-2012[4]的年平均二級濃度限值，且PM10和PM2.5達標天數比例僅79.52%和69.61%。相關數據[5-7]顯示北京市自2013年開始監測臭氧以來，發現臭氧污染主要集中在中度污染等級以下，成為顆粒物之外的首要污染物。若將門窗關閉阻止室外污染源進入室內，室內污濁的空氣則得不到稀釋和置換。隨著北京地區建筑節能標準的不斷提升，建筑密閉性越來越高，室內外換氣率也不斷下降。新風凈化系統通過風機和風管引入并凈化室外的新鮮空氣，同時將室內的污濁空氣排出。因此，新風系統作為一種教室內空氣質量解決措施被提出，本文對北京地區中小學校室內空氣質量現狀、增加新風系統的效果檢測及新風系統技術評估進行了調研和分析。
2 室內CO2和PM2.5濃度現狀
本文對北京市的部分中小學校進行問卷調研，大部分師生認為教室內新風量不足，有必要采用新風凈化系統改善室內空氣質量。
針對人們對于室內空氣質量的感受，本文對中小學校的CO2和PM2.5分別進行了檢測。
2.1 室內CO2濃度現狀
我國中、小學校普通教室的人員密度約0.75~0.9人/m2，屬于高密度人員建筑。對北京市部分中小學進行了教室上、下課期間的CO2濃度監測，某小學五年級某班的結果表明：在門窗關閉、教室未采取任何通風措施的條件下，上、下課期間測試教室CO2體積濃度的平均值分別為2758ppm、1805ppm，最大值分別高達3500ppm、2049ppm，最小值分別為1688ppm、1616ppm，不但高于《室內空氣質量標準》GB/T 18883-2002中規定的最高限值1000ppm，而且高于《中小學校教室換氣衛生標準》GB/T 17226-1998中的較為寬松的最高允許濃度（1500ppm）。
學校師生每節課至少有45分鐘的時間處于室內，也就是說，老師和學生每節課有45分鐘的時間是處在這種開始惡化或者已經惡化的空氣狀態下工作學習。
Usha等人[9]通過在CO2濃度分別為600ppm、1000ppm和2500ppm的環境下（除CO2外其他室內環境一致），分析參與實驗者對場景問題做出決定的表現，從而判斷CO2濃度對人們健康的影響。對三種CO2濃度下人們答題的水平進行數據分析，如圖2-1，發現人們的基本決斷力、應用決斷力、分析方向、主觀能動性、信息使用能力、分析深度以及分析方式都受到CO2濃度影響，在濃度達到1000ppm時即有表現，達到2500ppm時較為明顯（此結論已被哈佛大學相關研究證實）。
圖2-1 CO2濃度600ppm、1000ppm、2500ppm時人們的答題水平
2.2 室內PM2.5濃度現狀
通過對北京市4所學校教室的PM2.5濃度進行實地檢測，得出如下結論：
室外PM2.5濃度越高，室內PM2.5濃度也越高。當室外PM2.5濃度處于較高水平（大于0.075mg/m3）時，4所學校的PM2.5濃度無論在室內有人工況下還是無人工況下均高于《建筑通風效果測試與評價標準》中規定的0.075mg/m3。
對比教室有人工況和無人工況下的PM2.5濃度發現，當室內人員活動較大時，會造成PM2.5濃度較高的現象。
2.3 室內空氣質量改進措施
基于以上調研分析，中小學校普遍存在CO2濃度和PM2.5濃度超標的問題。開窗通風可稀釋室內污濁的空氣但會引入室外的污染物，因此需通過機械式新風系統引入新鮮空氣。新風凈化系統是指根據室內所需新風量有組織的引入并通過過濾裝置凈化進入室內的空氣，并將廢氣通過排風管道排出，可以同時解決室內CO2濃度過高和PM2.5及其他污染物超標的問題。下文對安裝了新風凈化系統的中小學校案例進行了測試效果討論。
3 北京地區中小學校新風系統案例分析
選取曾經做過室內空氣質量現狀測試，且現在已經完成新風系統改造的3所學校再次進行PM2.5、CO2濃度實地檢測。其中某小學教室（見圖3-1）選取熱交換凈化新風機一套，新風量800m3/h，人均新風量23m3/h，方案采用機器直接送新風、遠端頂部回風方式，教室內共有學生32人，老師3人；教室加裝新風凈化系統后，PM2.5無論在有人工況還是無人工況下，如圖3-2、3-3，都處于較低水平。另外，改造后的CO2濃度均有了較為明顯的下降，如圖3-4，在有人工況下的濃度值高于無人工況下，說明新風量和凈化能力在有人無人不同工況下的需求是不同的，因此新風凈化系統有必要加裝智能可調節裝置，實現上課-下課期間工況的自動切換功能。
圖3-1 某小學教室照片
圖3-2 某小學測試點一PM2.5濃度對比
圖3-3 某小學測試點二PM2.5濃度對比
圖3-4 某小學測試點CO2濃度對比
4 北京地區中小學校新風系統技術評估
在夏季空調及冬季供暖系統作用下，室內外通風換氣系統的應用勢必造成室內空氣的熱損失、增加建筑能耗，這部分熱量可通過室內外空氣熱交換的方式進行回收。對于是否該選擇帶有熱回收功能的系統、新風凈化的風機噪音和部分凈化方式產生的臭氧同為大眾所關注的技術指標。本文從熱回收功能、新風凈化系統產生的噪聲以及臭氧三個方面評估該技術的可行性及設計指標。
4.1 熱回收式新風系統的可行性分析
從節能性、經濟性及舒適性方面對中小學教室采用熱回收新風凈化系統進行了計算分析，學校在過渡季一般采取開門開窗自然通風，在冬夏季一般是每周五天，每天12小時開機，合計開機時間為夏季280小時，冬季660小時計算，得到如下結論：
（1）從節能性方面，冬季顯熱回收量與耗功量之比為16.0，冬季全熱回收量與耗功量之比為19.0，均高于3.4，所以可考慮采用全熱熱回收式新風機。夏季顯熱回收量與耗功量之比為2.91，夏季全熱回收量與耗功量之比為5.8，可采用全熱熱回收式新風機。
（2）從經濟性方面（見表4-1），若每間教室采用兩臺新風機，新風量為1200m3/h時，冬季全年可節約費用為871.8元，冬季新風機設備功耗為380kwh，功耗費用約380元；兩者相較，熱回收可節約491.8元；夏季熱回收可節省電量能耗510kwh，新風機設備功耗為161kwh；兩者相較，費用節約14.4元，冬夏季均可考慮熱回收裝置。
表4-1 中小學校熱回收冬夏季經濟性分析表
（3）從舒適性方面，在冬季室外溫度為-5℃時，未采用熱回收時，新風將使室內溫度降低10.4℃，會使室內學生有寒冷感覺；考慮熱回收后，室內溫度僅降低3.4℃，可保持在16.6℃左右，而且如果考慮散熱器的負荷也會相應變化，下降溫度可能更少，所以采用熱回收的新風冷負荷不會對室內舒適度造成太大影響。
綜上所述，采用熱回收式新風凈化系統可節約能耗，從而節約用電、耗煤費用，并增加冬季室內學生的舒適度，在設備選型時可被采納使用。
4.2 噪聲影響
國標《民用建筑隔音設計規范》GB 50118-2010對學校教室的噪音限值做出了規定。目前市面上的新風凈化產品是依據《空氣凈化器》GB/T 18801-2015、《通風器》JG/T 391-2012、《新風凈化機》T/CAQI10-2016等通風凈化類標準進行生產。對比GB 50118-2010要求的噪聲級與各類通風凈化標準發現，JG/T 391-2012、GB/T 18801-2015、T/CAQI10-2016中對設備的噪聲限值均未達到GB 50118-2010要求的室內噪聲限值。
另外，對部分新風凈化機廠家進行調研，其中有廠家提供的數據顯示風量為220m3/h的設備噪聲值達到50-60dB,高于學校普通教室要求的低限要求45dB?？梢?，目前大部分新風凈化產品的噪音值達不到GB 50118-2010中教室噪音限值的要求。因此，建議在安裝新風凈化系統時要求該系統的噪音達到GB 50118-2010中的室內噪音限值。
4.3 臭氧影響
《室內空氣中臭氧衛生標準》GB/T 18202-2000規定室內空氣中小時均值的平均最高允許濃度為0.1mg/m3，即0.05ppm。此項標準和美國環保署(USEPA)的相關標準一致。當運行凈化系統臭氧增加量小于0.05ppm時，對人體無害。因此，在選擇安裝新風凈化系統時，必須要求臭氧增加濃度小于0.05ppm（0.1mg/m3）。
5 結論
（1）大部分北京地區中小學校被調查者對室內空氣質量較不滿意。對室內CO2濃度進行測試，在檢測樣本中，中小學校教室在上下課期間，室內CO2濃度均遠高于相關標準。
（2）對PM2.5濃度進行測試，中小學校在上下課期間，室內PM2.5濃度均高于相關標準。
（3）北京地區節能型建筑和非節能型建筑均不能滿足室內人員所需新風量的最低要求，基于北京室外空氣污染較嚴重的現狀，均需要通過機械式新風系統引入新鮮空氣。
（4）對比實際安裝新風系統前后的室內CO2和PM2.5濃度，可以看出：安裝新風系統可以顯著降低室內CO2和PM2.5濃度，起到保障室內空氣質量的作用。
（5）在技術應用上，中小學教室在冬夏季均可采用熱回收技術。安裝新風凈化系統時，應要求其達到《民用建筑隔音設計規范》GB 50118-2010要求的限值，臭氧增加濃度小于0.05ppm（0.1mg/m3）。
參考文獻
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[10] 北京市環保局. 2015年PM2.5年均濃度降6.2%[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/local/2016-01/05/c_128594820.htm.
[11] 北京日報. 清華大學發布首個室內PM2.5污染大數據調研報告[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/local/2016-01/05/c_128594820.htm.
備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。